Die Beziehung zwischen aktiven Bereichen und Grenzen mit Energieeintrag in Schnappschalen

Neue Forschungsergebnisse untersuchen, wie die Geometrie von Schalen mit der Energiezufuhr zusammenhängt, die erforderlich ist, um die Durchschlaginstabilität auszulösen.

In der Natur verwenden verschiedene Organismen wie der Kolibri und die Venusfliegenfalle schnelle Schnappbewegungen, um Beute zu fangen, was Ingenieure dazu inspiriert, Designs zu entwickeln, die unter Verwendung der Durchschlaginstabilität von Schalenstrukturen funktionieren. Das Schnappen setzt gespeicherte elastische Energie schnell frei und erfordert keinen kontinuierlich angelegten Stimulus, um eine umgekehrte Form in bistabilen Strukturen aufrechtzuerhalten.

Ein neues Papier veröffentlicht in EPJ E verfasst von Lucia Stein-Montalvo, Department of Civil and Environmental Engineering, Princeton University, und Douglas P. Holmes, Department of Mechanical Engineering, Boston University, zusammen mit den Co-Autoren Jeong-Ho Lee, Yi Yang, Melanie Landesberg und Harold S Park, untersucht, wie das Einschränken des aktiven Bereichs der Schalengrenze eine große Reduzierung seiner Größe ermöglicht und den Energieeintrag verringert, der zum Auslösen des Durchschlagverhaltens in der Schale erforderlich ist, um das Design effizienter Schnappstrukturen zu leiten.

In dem Artikel weisen die Autoren darauf hin, dass die Durchschlagsinstabilität ein besonders attraktiver Mechanismus für Geräte wie Roboteraktuatoren oder mechanische Muskeln, optische Geräte und sogar dynamische Gebäudefassaden ist. All dies beruht auf einer Kombination aus geometrischer Bi-Stabilität und einem einrastenden Stimulus, um zu funktionieren, der von mechanisch, wie dem Drehmoment in einem springenden Spielzeug eines Kindes, bis zu nicht-mechanisch, wie Temperatur, Spannung, einem Magnetfeld, Differential reicht Wachstum oder Schwellung.

Die Forscher führten zwei Versuchsreihen durch, eine nutzte die Restquellung von zweischichtigen Silikonelastomeren – ein Prozess, der das unterschiedliche Wachstum nachahmt, die andere nutzte ein Magneto-Elastomer, um Krümmungen zu induzieren, die ein Durchschlagen verursachen.

Dieser auf Mechanik basierende Ansatz deckte eine Analogie zur biegungsdominierten Grenzschicht in umgekehrten Kugelkappen auf. Sie fanden heraus, dass die Größe der Grenzschicht ebenso wie bei umgekehrten, passiven Kugelkalotten eng mit der Stabilität verbunden ist. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass die Position und Größe des auferlegten Biegebereichs bestimmen, ob er mit der geometrischen Grenzschicht konkurriert oder mit ihr zusammenarbeitet, wo sich die Hülle biegen „will“.

Somit zeigen die Ergebnisse des Teams die zugrunde liegende Mechanik des Durchschlags in sphärischen Schalen und bieten einen intuitiven Weg zum optimalen Design für einen effizienten Durchschlag.